Pemanfaatan LTspice dan DesignSpark PCB untuk Simulasi Rangkaian dan Perancangan PCB

Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik 2013 “Teknologi Untuk Mendukung Pembangunan Nasional “

Pemanfaatan LTspice dan DesignSpark PCB untuk Simulasi Rangkaian dan Perancangan PCB Sunu Pradana1) Adhi Susanto 2) Widyawan 2)

1) Mahasiswa, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, Program Studi Teknik Elektro Universitas Gadjah Mada, Jl. Grafika no.2, Sleman, Yogayakarta, Indonesia Kontak email: [email protected] 2) Dosen, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, Program Studi Teknik Elektro Universitas Gadjah Mada, Jl. Grafika no.2, Sleman, Yogayakarta, Indonesia Abstract – Perkembangan teknologi semakin memudahkan mahasiswa maupun insinyur (engineer) untuk melakukan rancang bangun sistem elektronis dengan bantuan EDA. Namun demikian pemanfaatan perangkat lunak masih sering terbentur pada aspek legalitas aplikasi. Biaya lisensi yang tinggi dari program komersial bisa menjadi hambatan bagi perluasan penguasaan dan pengembangan teknologi elektronika di Indonesia pada masa mendatang. Dilema ini dapat ini dialami oleh para mahasiswa di perguruan tinggi hingga para insinyur yang tidak bekerja di institusi yang mampu membeli lisensi perangkat lunak EDA. Dalam makalah ini disajikan solusi dengan mempergunakan dua aplikasi EDA yang bebas pakai, untuk melakukan simulasi rangkaian dan untuk melakukan perancangan PCB. Pemilihan LTspice dan DesignSpark PCB dilengkapi dengan argumentasi yang berasal dari kajian pustaka. Sebagai contoh kasus, dipilih rangkaian ESR meter amatir yang telah diuji pakai beberapa pengguna. Sistem ini dipilih karena walaupun perangkat ini dibutuhkan untuk memeriksa kondisi kapasitor, ketersediannya di pasaran lokal masih sangat langka. Selain itu sistem ini dapat menjadi bahan belajar yang baik terutama sebagai latihan perancangan sistem elektronis dengan cara hierakis, sebagaimana yang diungkapkan dalam makalah ini. Kata Kunci: EDA, SPICE, LTspice, DesignSpark PCB, ESR, simulasi, PCB 1. PENDAHULUAN Seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan, teknologi, perdagangan dan transportasi, harga komputer personal menjadi semakin murah [1],[2]. Dengan demikian semakin banyak orang yang mampu untuk memiliki komputer [3, p. 19], dengan kemampuan lebih baik dari workstation yang dahulu dipergunakan untuk mengoperasikan perangkat lunak CAD. Namun kecenderungan penurunan harga perangkat keras komputasi ini tidak selalu diiringi dengan penurunan harga perangkat lunak CAD. Program komputer jenis ini masih dianggap mahal untuk pelajar (mahasiswa) maupun institusi pendidikan [4], dan akan diangap mahal untuk UKM (usaha kecil dan menegah). Hal ini menjadi tantangan karena aplikasi

CAD/CAE/EDA/ECAD telah menjadi salah satu kebutuhan utama untuk mempelajari, membuat dan mengembangkan rangkaian dan sistem elektronis. Dalam menyelesaikan skripsi/tesis/disertasi mahasiswa dapat terbentur pada masalah legalitas (lisensi) dari perangkat lunak yang dipergunakan. Versi gratis atau versi uji coba dari perangkat lunak komersial (free version/trial version) umumnya memiliki pembatasan fungsi yang masih bisa dipergunakan [4]. Sebelum melanjutkan pembahasan, ada baiknya untuk terlebih dahulu meninjau beberapa istilah yang lazim dipergunakan untuk membicarakan tentang perangkat lunak yang dipergunakan sebagai alat bantu dalam bidang elektronika. Menurut [5, p. 8], CAE (computer-aided engineering) adalah istilah yang secara umum dipergunakan untuk menggambarkan penggunaan perangkat lunak komputer untuk semua aspek keteknikan (engineering). Kategori dari CAE yang merupakan himpunan perangkat lunak yang dipergunakan untuk menggambar dan melakukan tata letak fisik dalam proses desain suatu sistem disebut sebagai CAD (computer-aided design). Program CAD yang secara spesifik dipergunakan dalam industri/bidang elektronika disebut sebagai ECAD (electronic computer-aided design) atau EDA ( electronic design automation). Sebagai contoh, OrCAD PSpice adalah aplikasi CAE yang memiliki pustaka model matematis yang diperlukan untuk melakukan simulasi, sedangkan OrCAD PCB Editor adalah aplikasi CAD yang berfungsi untuk mengubah diagram skematik yang berisi simbol-simbol menjadi representasi fisik dari rancangan [5, p. 9]. 2. ESR Komponen elektronika kapasitor tidak hanya memiliki unsur kapasitif, tetapi juga memiliki unsur parasitik seperti ESR (equivalent series resistor) [6, p. F-176]. Unsur parasitik resistif ini berpengaruh pada tegangan keluaran sistem. Sebagai contoh, pada rangkaian buck converter kapasitor yang dipergunakan sebagai kapasitor filter seharusnya adalah tipe low ESR capacitor. Jika kapasitor yang dipergunakan ternyata memiliki nilai ESR yang besar maka riak tegangan keluaran pun akan membesar, sebagaimana ditunjukkan oleh hasil simulasi pada Gambar 1. Peralatan LCR dan C meter yang dijual di toko130


toko elektronika lokal umumnya tidak memiliki kemampuan untuk memeriksa kondisi ESR pada kapasitor. Untuk memperkecil resiko kegagalan sistem catu daya (seperti pada buck converter) sebagai akibat dari kondisi kapasitor maka perlatan ini perlu dimiliki (dibuat).

(a)

(b)

Gambar 1: Pengaruh nilai ESR pada tegangan listrik. (a) Rangkaian buck converter pada default example di program LTspice. (b) Tegangan keluaran dengan skenario simulasi dua nilai ESR yang berbeda [6].

3. LTSPICE LTspice [7] adalah aplikasi EDA sumber tertutup (closed course) [3], yang bebas pakai berbasis aplikasi SPICE3 [8]. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) merupakan simulator rangkaian yang dikembangkan di University of California, Berkeley. Program komputer SPICE kemudian dilepas sebagai public domain pada Mei 1972 [9]. SPICE versi 2G6 dilepas ke publik pada April 1983 sedangkan SPICE versi 3F5, dilepas ke publik pada1993 [10]. Sejak dilepas pertama kali ke publik, SPICE telah menjadi standar industri untuk melakukan simulasi dan memeriksa operasi rangkaian sampai pada tingkat transistor sebelum rancangan memasuki tahap implementasi sebagai IC (integrated circuit). Masing-masing perusahaan produsen komponen elektronika mengembangkan versi turunan SPICE mereka sendiri, misalnya Analog Devices, Linear Technology (LTC) dan Texas Instruments [9]. Tidak hanya dipergunakan pada industri, SPICE juga umum dipergunakan di dunia pendidikan (perguruan tinggi) karena kemampuannya dan karena penggunaannya

bersifat gratis tanpa biaya lisensi. Banyak aplikasi EDA yang merupakan turunan langsung dan pengembangan dari SPICE. Program turunan yang bersifat komersial (beberapa dilengkapi dengan versi uji coba) antara lain; ISPICE, HSPICE, PSpice, Multisim, Proteus, TINA dan Altium Designer Mixed-Signal Circuit Simulator. Turunan SPICE yang bebas pakai tanpa pembatasan (gratis) juga umum dipergunakan, seperti XSPICE, Cider, NGspice dan LTspice. Sebagai simulator rangkaian analog yang paling umum dipergunakan di dunia [11], SPICE masih sulit untuk tergantikan [12]. Bahkan setelah lebih dari 40 tahun, SPICE (dan turunannya) masih bertahan sebagai aplikasi EDA yang umum dipergunakan sampai hari ini [9]. Sejarah LTspice dimulai pada tahun 1991 saat program SwitcherCAD yang beroperasi pada OS DOS mulai disediakan oleh LTC (Linear Technology Corporation). Program LTspice IV sebagai kelanjutan dari SwitcherCAD kemudian dirilis pada tahun 2008 oleh LTC dan juga tersedia untuk publik. LTspice dilaporkan telah diunduh lebih dari 3 juta kopi dan telah menjadi standar de facto untuk program berbasis/turunan SPICE [10]. Perusahaan LTC lebih dikenal sebagai produsen komponen elektronika yang unggul untuk bidang catu daya tersaklar (switching power supply). Oleh karena itu LTspice dioptimalkan untuk memiliki kemampuan yang sangat baik untuk melakukan simulasi SMPS (switch mode power supply). Program LTspice yang disediakan untuk diunduh bebas adalah program yang sama yang dipergunakan oleh para perancang IC di LTC [13]. Dengan penggunaan dan pengembangan yang intensif seperti ini LTspice dikenal sebagai program SPICE yang mampu melakukan simulasi switching regulator (pengendali tersaklar) lebih cepat dari simulator SPICE lainnya. Program LTspice tidak hanya mampu untuk mensimulasikan (model) komponen produksi LTC saja. Dengan LTspice, pengguna bisa mempergunakan model komponen (dengan standar) SPICE dari berbagai sumber dan produsen. Hal ini sangat memudahkan pengguna karena cukup banyak model komponen dari berbagai perusahaan telah tersedia di berbagai situs di Internet. LTspice telah dipergunakan sebagai alat bantu pengajaran di banyak perguruan tinggi, antara lain dilaporkan pada [14]-[17]. LTspice juga telah dipergunakan sebagai alat bantu penelitian untuk tingkat master (tesis) sebagimana dilaporkan pada [3],[18],[19], maupun untuk tingkat doktoral (disertasi) [20]. Dalam beberapa dokumen paten ditemukan bahwa LTspice telah dipergunakan untuk melakukan simulasi dan validasi rancangan [21],[22]. 4. DESIGNSPARK PCB DesignSpark PCB adalah program CAD (EDA) tingkat profesional untuk perancangan PCB (printed 131


circuit board) yang bebas pakai (gratis) tanpa pembatasan lisensi, sekalipun akan dipergunakan untuk keperluan perancangan produk komersial [23]. Tidak ada pembatasan jumlah komponen pada rancangan, juga tidak ada batasan legal mengenai dimensi rancangan seperti jumlah lapisan (board layer) maupun luas bidang PCB. Hal ini berbeda misalnya dengan OrCAD versi uji coba (trial/lite) yang dibatasi dalam jumlah komponen yang dapat diletakan dan diatur pada PCB, versi ini juga tidak dapat dipergunakan untuk keperluan produksi komersial [24]. Program DesignSpark PCB memiliki dua fasilitas utama. Yang pertama adalah schematic capture, fasilitas ini dipergunakan untuk membuat skema/diagram rangkaian elektronik. Fasilitas kedua adalah PCB layout yang dipergunakan untuk melakukan tata letak komponen dan membuat jalurjalur sinyal dan daya pada papan tercetak (PCB). Penterjemahan dari skema rangkaian menjadi PCB dapat dilakukan secara otomatis dengan perintah ”Translate To PCB” yang tersedia pada menu. Pengaturan letak komponen maupun pembuatan jalur (routing) pada PCB juga dapat dilakukan secara otomatis maupun manual. Selain itu pada DesignSpark PCB terdapat fasilitas tambahan berupa antarmuka ke program simulator rangkaian, seperti LTspice. Dengan kemampuan teknis program dan sifat lisensinya yang gratis maka DesignSpark PCB dapat dipergunakan untuk keperluan pembelajaran rancang bangun PCB di perguruan tinggi [24]. DesignSpark PCB juga dilaporkan telah dipergunakan pada berbagai perusahaan utamanya usaha kecil dan menengah di bidang otomotif dan perangkat kendali peralatan industri [25]. 5. HASIL DAN PEMBAHASAN Rancangan asli dari ESR meter [26], menggunakan rancangan yang datar (flat) sebagaimana terlihat pada Gambar 2. Rancangan tersebut dapat dimodifikasi menjadi rancangan bertingkat (hierarkis) dengan memanfaatkan fasilitas ”hierarchy” dari LTspice.

Gambar 2: Rancangan ESR meter [26].

Dengan menggunakan perancangan bertingkat, rangkaian dapat dibagi-bagi menjadi beberapa sub-

rangkaian. Masing-masing bagian dapat diperlakukan sebagai kotak hitam (black box). Dengan cara ini suatu sistem yang kompleks dapat dibagi-bagi untuk dikerjakan secara terpisah oleh beberapa orang anggota kelompok. Program bebas pakai (gratis) LTspice memungkinkan para calon insinyur untuk dilatih menggunakan metode ini sejak dari masa kuliah, tanpa terhambat oleh pembatasan fasilitas yang bisa dipergunakan berdasarkan jenis lisensi.

(a)

(b)

Gambar 3: Pemanfaatan fasilitas hierarchy pada LTspice yang dioperasikan pada OS GNU/Linux dengan Wine. (a) Rangkaian dibagi menjadi beberrapa bagian yang dilambangkan oleh kotak. (b) Tampilan keseluruhan sistem, termasuk sub-rangkaian.

Fasilitas antarmuka pada DesignSpark PCB memungkinkan pengguna untuk melakukan simulasi dari diagram rangkaian yang telah dibuat dengan schematic capture. Simulasi dilakukan dengan menggunakan bantuan program simulator seperti LTspice. DesignSpark PCB mampu menghasilkan netlist dengan ekstensi .cir yang dapat dilihat pada LTspice yang dipanggil secara otomatis. Sebagaimana terlihat pada Gambar 4, perbedaan cara simulasi pada LTspice hanya terletak pada penggunaan teks sebagai masukan program (file netlist .cir). Hasil simulasi menunjukkan bahwa dari tiga contoh nilai ESR, maka nilai ESR sebesar 1 mΩ akan menghasilkan tegangan keluaran terbesar yaitu sekitar 459 mV. Sedangkan nilai ESR sebesar 20 Ω akan menghasilkan nilai tegangan terkecil, sekitar 47 mV. Karenanya simpangan terjauh indikator analog meter menunjukkan nilai ESR yang terkecil. Demikian pula berlaku sebaliknya. 132


tersedia di Internet. Pengguna juga dapat membuat sendiri simbol dan model komponen. DesignSpark PCB memiliki fasilitas yang memudahkan pengguna untuk memodifikasi dan melakukan kombinasi dari simbol dan model yang telah ada di dalam pustaka, seperti yang ditampilkan pada Gambar 7. Dengan cara ini, pengguna dapat lebih cepat untuk mendapatkan simbol/model yang sesuai dengan keperluannya.

(a) Gambar 5: Penggunaan proyek untuk menampung seluruh skema rangkaian dan rancangan PCB.

(b)

Gambar 4: Simulasi menggunakan LTspice dari rangkaian yang dibuat pada DesignSpark PCB (a) File netlist yang otomatis dihasilkan oleh DesignSpark PCB. (b) Hasil simulasi rangkaian dengan menggunakan tiga nilai ESR yang berbeda.

Dalam pembuatan skema rangkaian dan pembuatan PCB, DesignSpark PCB juga mendukung penggunaan metode desain bertingkat sebagaimana LTspice mendukung metode hierarki untuk simulasi rangkaian. Untuk menghasilkan satu rancangan PCB dari beberapa skema rangkaian maka perlu dibuat suatu project untuk menampung seluruh skematik yang hendak diterjemahkan menjadi rancangan PCB, sebagaimana terlihat pada Gambar 5. Gambar 6 merupakan tampilan akhir dari desain PCB yang dihasilkan dari penggabungan secara otomatis beberapa skema/diagram rangkaian yang disimpan terpisah di beberapa file. Untuk menterjemahkan diagram rangkaian ke bentuk tata letak PCB, DesignSpark PCB telah dilengkapi pustaka (library) komponen yang cukup besar. Pustaka ini dapat ditambah sendiri oleh pengguna menggunakan simbol maupun model komponen yang banyak

Gambar 6: Hasil akhir perancangan PCB ESR meter.

Gambar 7: Pengelolaan pustaka pada DesignSpark PCB.

133


6. KESIMPULAN Program komputer EDA berbasis (turunan) SPICE seperti LTspice masih dominan dipergunakan. Oleh karena itu waktu yang dipergunakan untuk mempelajarinya masih merupakan investasi yang baik untuk masa mendatang. LTspice telah umum dipergunakan sebagai alat bantu pengajaran dan penelitian, termasuk untuk penyelesaian tesis dan disertasi. LTspice unggul dalam melakukan simulasi untuk rangkaian tersaklar seperti SMPS, oleh karena itu sangat baik untuk dipergunakan dalam bidang elektronika daya (power electronics). DesignSpark PCB merupakan program CAD untuk pembuatan skema rangkaian dan PCB yang bebas pakai (gratis) yang memiliki fasilitas profesional layaknya program serupa yang dijual secara komersial. Program ini tidak hanya layak dipakai di dunia pendidikan tetapi juga sudah terbukti layak dipakai untuk industri. Sebagai program komputer yang sepenuhnya gratis LTspice dan DesignSpark PCB tidak memiliki pembatasan-pembatasan fasilitas berdasarkan jenis lisensi sebagaimana umumnya program EDA yang merupakan versi pelajar atau uji coba (trial version/lite version). Keduanya dapat dioperasikan di OS Microsoft Windows maupun di OS GNU/Linux (dengan bantuan aplikasi Wine). Fasilitas perancangan sistem elektronik dengan metode hierarki pada LTspice dan DesignSpark PCB telah berhasil diuji coba untuk mengimplementasikan rancangan ESR meter. Kedua perangkat lunak ini memungkinkan mahasiswa untuk berlatih pola perancangan sistem elektronik secara berkelompok sejak dini. Keterampilan penggunaan program LTspice dan DesignSpark PCB dapat terus dimanfaatkan oleh mahasiswa selepas kuliah karena kedua program ini dapat secara profesional dipakai di dunia industri. Dengan fasilitas dan kemampuan yang dimiliki, program LTspice dan DesignSpark PCB dapat menjadi solusi untuk penguasaan dan pengembangan elektronika di Indonesia tanpa harus terhalang oleh mahalnya lisensi perangkat lunak EDA.

[4]

[5] [6]

[7]

[8]

[9] [10]

[11] [12] [13]

DAFTAR REFERENSI [1] D. Clark, “New Intel CEO: Stay Tuned for Much Cheaper Portable PCs - Digits - WSJ,” 17-Jul2013. [Online]. Available: http://blogs.wsj.com/digits/2013/07/17/new-intelceo-stay-tuned-for-much-cheaper-portable-pcs/. [Accessed: 15-Aug-2013]. [2] N. Wooley, “Personal Computers Getting Cheaper | InvestorPlace,” InvestorPlace, 12-Apr2013. [Online]. Available: http://investorplace.com/2013/04/personalcomputers-getting-cheaper/. [Accessed: 15-Aug2013]. [3] T. R. Pearson, “Design and implementation of

[14]

[15]

[16]

the uLab remote hardware design laboratory,” M.S. thesis, Dept. Elct. Eng., Northern Illinois University, United States -- Illinois, 2013. Starzak, L.; Swiercz, B.; Zubert, M.; Napieralski, Andrzej, "SPICE-based simulation website: application to teaching of power electronics," CAD Systems in Microelectronics, 2003. CADSM 2003. Proceedings of the 7th International Conference. The Experience of Designing and Application of , vol., no., pp.334,336, 18-22 Feb. 2003. K. Mitzner, Complete PCB design using OrCAD Capture and PCB editor. Amsterdam; Boston: Newnes/Elsevier, 2009. S. Pradana, “Adaptasi Peralatan Penguji Kondisi ESR pada Kapasitor,” in Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Yogyakarta, 2013, pp. F175–F180. “Linear Technology - Design Simulation and Device Models,” Linear Technology - Design Simulation and Device Models, 2013. [Online]. Available: http://www.linear.com/designtools/software/#LT spice. [Accessed: 15-Aug-2013]. J. D. Hewlett and B. M. Vilamowski, “SPICE as a fast and stable tool for simulating a wide range of dynamic systems,” The International journal of engineering education, vol. 27, no. 2, pp. 217– 224, 2011. A. Gopinath, “What’s New in SPICE?,” Electronics For You, pp. 107–109, Mar-2013. “LTspice Genealogy - The Heritage of Simulation Ubiquity - LTwiki - Wiki for LTspice,” 11-Aug-2013. [Online]. Available: http://ltwiki.org/index.php5?title=LTspice_Genea logy_-_The_Heritage_of_Simulation_Ubiquity. [Accessed: 15-Aug-2013]. Green, L., "SPICE: avoiding the pitfalls," Northcon/94 Conference Record , vol., no., pp.202,204, 11-13 Oct 1994. Kundert, K., "Life After SPICE," Solid-State Circuits Magazine, IEEE , vol.3, no.2, pp.23,26, Spring 2011. P. Rako, “EDN - LTspice seminar with Mike Engelhardt | EDN,” EDN, 12-Dec-2011. [Online]. Available: http://edn.com/electronicsblogs/anablog/4311849/LTspice-seminar-withMike-Engelhardt. [Accessed: 15-Aug-2013]. Taufik, T.; McClusky, S.; Paolucci, J.; Dolan, D.S., "A new undergraduate laboratory course in magnetic design," North American Power Symposium (NAPS), 2011 , vol., no., pp.1,4, 4-6 Aug. 2011. S. Munk-Nielsen, “Experience with Spice teaching power electronics,” in 13th European Conference on Power Electronics and Applications, 2009. EPE ’09, 2009, pp. 1–8. Bousbaine, Amar; Eljarh, Mohamed, "A practical project approach for teaching experimental power electronics," Universities' Power 134


[17]

[18] [19]

[20]

[21]

[22] [23]

Engineering Conference (UPEC), Proceedings of 2011 46th International , vol., no., pp.1,6, 5-8 Sept. 2011. Vollrath, J., "Using models, simulation and measurements for teaching circuit design," Global Engineering Education Conference (EDUCON), 2013 IEEE , vol., no., pp.978,983, 13-15 March 2013. J. M. Cohen, “Peak power tracking for a solar buck charger,” Thesis (M.Eng.), E.E.C.S., Massachusetts Institute of Technology, 2010. Z. Li, “Design of a step-down DC-DC controller integrated circuit with adaptive dead-time control,” Thesis (M.Eng.), E.E.C.S., Massachusetts Institute of Technology, 2010. G. Eirea, “Estimation and Control Techniques in Power Converters,” Ph.D. Dissertation, E.E.C.S., University of California at Berkeley, USA, Nov. 2006. M. Arik, S. Weaver, T. Stecher, C. Seeley, G. Kuenzler, C. W. JR, Y. Utturkar, R. Sharma, S. Prabhakaran, and T. Icoz, “Lighting system with thermal management system,” US8434906 B207May-2013. D. J. Perreault and A. S. Jurkov, “Radiofrequency (RF) amplifier circuits and related techniques,” US8451053 B228-May-2013. “DesignSpark PCB Home » DesignSpark,”

DesignSpark PCB Home. [Online]. Available: http://www.designspark.com/eng/page/designspa rk-pcb-home-page. [Accessed: 16-Aug-2013]. [24] Aranguren, G.; Etxaniz, J.; Lopez-Nozal, L.A., "Design of printed circuit boards in university?," Technologies Applied to Electronics Teaching (TAEE), 2012 , vol., no., pp.6,10, 13-15 June 2012. [25] C. Hayes, “Printed circuit board design tools - E & T Magazine,” Engineering and Technology Magazine, 15-Jul-2013. [Online]. Available: http://eandt.theiet.org/magazine/2013/07/circuitsby-design.cfm. [Accessed: 16-Aug-2013]. [26] L.Glaister, “Capacitor ESR Tester,” 2009. [Online].Available: http://members.shaw.ca/swstuff/esrmeter.html. [Accessed: 16-Aug-2013].

135

Pemanfaatan LTspice dan DesignSpark PCB untuk Simulasi Rangkaian dan Perancangan PCB

Recommend Documents